简介ZYNQ7010的UART串口程序是一套基于Vivado 2017.1开发环境、面向Zynq-7010 SoC的完整串口通信工程适合嵌入式开发者和FPGA学习者在PS与PL协同开发中理解UART中断收发机制。压缩包共1146个文件、约21.08MB以h/c源代码、v/vhd硬件描述文件为核心辅以xdc约束、bit比特流、tcl脚本、makefile构建文件以及xci IP核配置等覆盖从硬件工程到软件驱动的完整开发链。工程中CH09_Interrupt_Uart部分重点展示了中断处理在UART收发中的实现方式涉及波特率配置、收发FIFO、中断服务例程编写等关键环节可帮助读者掌握Vivado下的IP集成、HDL综合、SDK调试等完整流程在实际嵌入式项目中具有直接参考价值。资源已有3031人学习下载适合需要参考完整工程结构、对照源码理解Zynq UART底层原理的开发者。 做ZYNQ7010开发我拿到板子的第一件事就是把UART串口程序跑通。不是说它有多难而是ZYNQ7010这个芯片有点特殊——它内部有ARM核也有FPGA逻辑调试手段比普通单片机复杂UART反而成了最快、最直接的反馈通道。很多新手一上来就在ZYNQ7010的UART上卡住不一定是代码写错而是没想清楚到底走PS端还是PL端电平对不对上位机驱动装没装好。这篇文章我就把调ZYNQ7010 UART串口的完整思路、代码和踩坑记录整理一遍适合刚拿到开发板不知道从哪起步的同学也适合回头排查问题的朋友。1. 为什么ZYNQ7010的UART值得单独拿出来讲1.1 UART在ZYNQ开发中的特殊地位ZYNQ7010属于Xilinx Zynq-7000系列PS端是双核Cortex-A9PL端是Artix-7架构的FPGA。不少人买了板子就急着跑Linux、搞高速接口结果第一步就卡在串口上。因为无论你跑裸机程序还是Linux系统启动日志、调试打印、命令行交互全都依赖UART。它虽然老却是整个系统里最可靠的“眼睛”。说得直白一点UART在ZYNQ7010开发里的价值有三个第一代码量最少适合作为PL/PS协同工作的入门例程第二调试反馈直接逻辑有问题看串口输出就能定位一半第三所有开发板都会把UART引出来不需要额外接硬件。所以我把UART当成ZYNQ开发的第一课比点灯有意义得多。1.2 PL还是PS先想清楚再动手这是所有新手第一个纠结的问题。ZYNQ7010的UART其实有两条完全不同的实现路线路线实现位置特点适用场景PS端UART芯片内部UART控制器通过MIO或EMIO引出不需要自己写协议逻辑驱动成熟Linux也能用跑系统、裸机调试主CPUPL端UARTFPGA内部用Verilog手写或使用AXI UART Lite IP可自定义波特率、帧格式与PS无关学习串口协议、纯FPGA逻辑设计很多教程默认用PS端因为对应用开发更友好。但如果你主要写FPGA逻辑有时候PL端更需要一个独立的串口来打印状态。我的建议是如果你只是想验证开发板能不能用直接走PS端如果你正在学FPGA或者PL端有独立通信需求再考虑用Verilog实现。两条路不是对立的我后面分别讲。2. UART协议的关键点帧格式、波特率与接口对比2.1 串口时序到底长什么样UART是异步串行通信收发双方没有单独时钟线靠的是事先约定好的波特率和对起始位的检测。标准帧结构可以描述成一段电平序列空闲状态TX引脚保持高电平起始位发送方把一个bit时间长度的低电平放到线上数据位通常8个bit从最低位LSB开始发送校验位可选常见的是偶校验或奇校验停止位至少一个bit时间的高电平表示一帧结束。有个容易忽略的细节停止位之后线路必须回复到高电平才能开始下一帧。很多自制模块在停止位处理上偷懒导致接收端识别不了下一帧的起始位。用逻辑分析仪抓波形时你会看到起始位低电平、数据位乱序、停止位高电平这个特征非常明显。写Verilog时一定要把状态机按这个顺序做全。2.2 波特率与时钟分频计算波特率就是每秒传输的bit数常用值是9600、115200。在PL端手写UART时波特率由系统时钟分频得到。举个例子假设系统时钟50MHz目标波特率115200每个bit周期需要的时钟个数是50_000_000 / 115200 434.027...我一般取整数434实际波特率误差约为0.007%完全能接受。如果系统时钟是33.333MHz这种非整数值误差可能会变大需要适当调整分频值或者选一个能被整除的波特率。PS端的UART控制器会自动处理分频一般只需要设置波特率值不用管底层细节。2.3 UART和USART、SPI、I2C、CAN到底有什么区别这个问题在搜索UART相关信息时经常出现。我把几个常见协议放到一张表里对比协议线数同步/异步应用场景特点UARTTX/RX共地异步调试、模块间低速通信简单全双工无时钟线USART可配同步/异步单片机外设比UART多了同步时钟输出能力SPISCLK/MOSI/MISO/CS同步Flash、高速传感器速度快一主多从线多I2CSDA/SCL同步EEPROM、低速配置总线式可挂多设备速率相对低CANCANH/CANL差分异步汽车、工业现场抗干扰强带仲裁和错误处理ZYNQ7010开发中UART主要负责和人交互SPI/I2C主要用于连接传感器和存储器工业场景才会额外接RS485/CAN。不要觉得协议多很难它们本质都是把数据变成线上高低电平只是“约定”不同而已。3. PL端实现UART一个能用的Verilog例子3.1 发送模块代码与关键逻辑如果采用PL端实现最核心的就是波特率发生器和发送状态机。我给出一个最简可用的发送模块系统时钟50MHz波特率115200module uart_tx( input clk, // 50MHz input rst_n, input tx_start, input [7:0] tx_data, output reg txd ); localparam BAUD_CNT 434; // 50MHz / 115200 reg [8:0] cnt; reg [3:0] bit_cnt; reg sending; reg [7:0] shift_reg; always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin txd 1b1; cnt 0; bit_cnt 0; sending 0; end else begin if (!sending) begin txd 1b1; if (tx_start) begin sending 1b1; shift_reg tx_data; cnt 0; bit_cnt 0; txd 1b0; // 拉低产生起始位 end end else begin if (cnt BAUD_CNT - 1) begin cnt cnt 1; end else begin cnt 0; if (bit_cnt 0) begin // 起始位结束开始发数据位 txd shift_reg[0]; shift_reg {1b0, shift_reg[7:1]}; bit_cnt bit_cnt 1; end else if (bit_cnt 8) begin txd shift_reg[0]; shift_reg {1b0, shift_reg[7:1]}; bit_cnt bit_cnt 1; end else begin // 停止位 txd 1b1; bit_cnt 0; sending 0; end end end end end endmodule这段代码里我用了移位寄存器每到一个bit周期就把最低位送到txd然后右移一位。注意bit_cnt从0计数到9其中0对应起始位1到8对应8个数据位9是停止位。如果你需要偶校验可以在数据位结束后插入一个校验bit但状态计数要相应加一新手容易在这里踩坑。3.2 接收端为什么难写以及电平转换问题接收模块比发送复杂核心是检测起始位下降沿然后在数据位中间时刻采样。很多人写接收失败就是因为采样点太靠近跳变沿稍微有点抖动就采错。我的建议是如果只是应付功能验证别自己写接收直接用Vivado里的AXI UART Lite IP如果想学协议可以去GitHub找开源UART接收模块然后逐步读懂。另外PL端UART的引脚通常是3.3V TTL电平。如果你的开发板PS端MIO配置成1.8V或者外接的传感器模块是1.8V逻辑就必须加电平转换电路。常见的方案有TXS0108双向电平转换芯片或者用MOS管搭单向转换。真要用RS485做工业通信还需要在UART的TX/RX后面接MAX3485这类收发器并把方向控制脚接对。RS485是半双工方向控制弄反就变成只能发不能收这是硬件上最容易忽略的坑。4. PS端UARTVivado/SDK配置流程4.1 在Vivado里把UART外设配出来如果你不想在PL端折腾VerilogPS端的UART会省心很多。我常用的配置步骤是新建Vivado工程添加ZYNQ7 Processing System IP双击IP在PS-PL Configuration的MIO Configuration里勾选UART1或者UART0取决于板卡原理图确认UART引脚对应的MIO编号很多开发板默认是MIO14/MIO15你的板子不一定一样一定要查原理图保存Block Design生成HDL wrapper跑综合和实现最后Generate Bitstream导出硬件时勾选Include bitstream打开SDK在SDK中新建Application Project选择模板Hello WorldSDK会自动生成通过UART打印的裸机代码。这里有个很关键的点ZYNQ的PS端UART波特率在SDK里默认是9600还是115200取决于BSP和模板设置。很多人下载后串口没输出其实是SDK Serial Terminal的波特率和工程不匹配。4.2 SDK里写UART收发程序Hello World模板默认使用XUartPs驱动核心初始化代码大致如下#include xparameters.h #include xuartps.h #include xil_printf.h static XUartPs UartInst; int uart_init(void) { XUartPs_Config *Config; Config XUartPs_LookupConfig(XPAR_XUARTPS_0_DEVICE_ID); if (Config NULL) return -1; XUartPs_CfgInitialize(UartInst, Config, Config-BaseAddress); XUartPs_SetBaudRate(UartInst, 115200); XUartPs_SetDataFormat(UartInst, XUARTPS_FORMAT_8N1); return 0; }发送可以轮询void uart_send_str(char *s) { while (*s) { XUartPs_Send(UartInst, (u8 *)s, 1); while (XUartPs_IsTransmitFull(UartInst)); s; } }接收如果要做到中断方式需要初始化FIFO中断阈值并注册回调函数代码量会多一些。我先给一个用于验证接收通路的循环轮询写法在功能验证阶段完全够用u8 buf; while (1) { int n XUartPs_Recv(UartInst, buf, 1); if (n 1) { XUartPs_Send(UartInst, buf, 1); } }这段代码会让CPU一直占用但它能直接证明接收通路是通的。4.3 FT232R/FT231X USB转串口驱动热搜里反复出现FT232R和FT231X驱动不是没原因的。市面上很多ZYNQ开发板用FTDI芯片做USB转串口Win10系统一般免驱但精简版系统或者特殊版本芯片经常认不出。设备管理器里如果出现“USB Serial Port (COMx)”说明驱动正常如果显示“USB Serial Converter”或者黄色感叹号就需要去FTDI官网下载VCP驱动手动安装。还有个实用经验装完驱动后一定要拔插一次USB线然后去设备管理器确认端口号变了没有。很多调试失败都错在串口助手选错了COM口明明硬件是好的却怀疑代码有bug。5. 调试问题与排查技巧5.1 串口完全无输出遇到这个问题我一般按下面顺序排查板卡供电是否正常电源LED是否亮下载程序后SDK控制台有没有报错TX和RX是否接反。使用外部USB转串口模块时板子TX要接模块RX板子RX要接模块TXVivado里配置的UART引脚和板卡原理图是否一致波特率是否匹配是否忘了复位或者复位脚被拉到了错误电平。不要小看这些点我至少有两次是电源线接触不良导致完全没有输出排查了半天硬件才发现毛病。5.2 输出乱码乱码是UART调试最头疼的问题。主要原因通常是波特率分频误差太大、电平不匹配、收发双方没有共地、USB转串口芯片本身不稳定。其中“没共地”最隐蔽。如果板子和外部模块各自用独立电源地线没接在一起RX/TX上的电压参考点不一致收到的数据必然是乱码甚至全是0xFF。我这里特别强调凡是外接模块第一件事就是确认地线连接。5.3 回环测试三步走不管PL还是PS先做回环能省一半时间把板子的TX和RX用杜邦线短接串口助手上发什么就回什么说明物理通路没问题PS端可以用上面的轮询接收代码做硬件回环验证PL端手写的UART如果回环不正常用逻辑分析仪抓TX波形看起始位和停止位是否正确。有条件的建议直接上逻辑分析仪采样率设1M以上能看到每一位的电平变化比示波器好用很多。5.4 用逻辑分析仪抓波形调PL端UART时我几乎每次都用逻辑分析仪。20多块钱的8通道逻辑分析仪就能搞定软件里选UART协议解析自动解码出十六进制数据。你可以把抓到的波形和发送字节对照很快定位是发送状态机的问题还是波特率误差的问题。6. 一个实战复盘PS UART跑通全流程6.1 核心板上的MIO配置经历我之前调试一块ZYNQ7010核心板原理图标注PS UART1用MIO14、MIO15板载FT231X。我在Vivado里配好UART1SDK里编译Hello World下载后Serial Terminal什么反应都没有。我查了电源、下载、波特率都没问题最后才发现SDK Serial Terminal里选的是COM8设备管理器里的实际端口是COM7。改过来立刻出现启动打印这种低级错误以后一定要先检查端口。6.2 接收回环验证实例以为发送通了就行不行还得验证接收。我在SDK里写了轮询回环程序用串口助手发送55 AA 01 02 03然后观察返回。注意XUartPs的接收FIFO默认可能没开中断裸机轮询模式下要保证每次读一个字节后及时处理否则数据多时会丢。如果回环返回的数据和发送完全一致就可以放心进入下一步开发了。7. 高频坑清单和个人心得7.1 我把高频坑整理成一张清单VIVADO里UART0和UART1选错引脚对不上原理图看错MIO编号TX/RX位置反了外接模块忘记共地导致数据全乱串口助手端口选错或者被其他软件占用波特率设置不一致比如程序里115200串口助手却用9600使用PL自制UART时采样点靠近跳变沿导致误码SDK Serial Terminal和串口助手同时打开同一个端口互相抢资源。这些坑单独看都不难但碰上一次就能耗掉半天。先收藏出了问题再逐条对照。7.2 我在实际项目中的习惯我个人经验是如果只是验证板卡优先用PS端UART如果是为了学协议再手写PL端UART。两者是先后关系而不是二选一。实际项目中我经常在PL端挂AXI UART Lite IP做业务串口PS端UART留给Linux console两个口各司其职。这样系统日志和数据流分开调试起来不会互相干扰。最后再分享一个小技巧调试时在串口助手里发送带固定帧头的测试数据比如AA 55开头然后在代码里加个简单的帧解析比对帧头是否正确。这比看一长串原始数据直观很多尤其是数据量大时。UART本身不难但把它用顺了ZYNQ7010开发的整个节奏都会快起来。本文还有配套的精品资源点击获取
